创新极紫外光刻技术大幅提升半导体制造效益

Josiah01

　　冲绳科学技术大学院大学（OIST）的 Tsumoru Shintake 教授提出了一种超越半导体制造标准的极紫外 (EUV) 光刻技术。
　　基于此设计的EUV光刻技术可采用更小的 EUV 光源，从而降低成本并大幅提高机器的可靠性和使用寿命。其功耗还不到传统 EUV 光刻机的十分之一，有助于半导体行业实现更加环保的可持续发展。
　　这项技术之所以能够实现，是因为解决了该领域过去被认为无法克服的两个问题。第一个问题涉及一种仅由两个镜子组成的新型光学投影系统。第二个问题涉及一种新方法，可以有效地将 EUV 光引导到平面镜（光掩模）上的逻辑图案上，而不会阻挡光路。
　　EUV 光刻面临的挑战
　　使人工智能(AI) 成为可能的处理器、手机等移动设备中使用的低功耗芯片以及我们日常生活中不可或缺的机器中使用的高密度 DRAM 内存 - 所有这些先进的半导体芯片都是使用 EUV 光刻技术制造的。然而，半导体的生产面临着设备高功耗和复杂性的挑战，这大大增加了安装、维护和功耗的成本。
　　正如 Shintake 教授所说：“这项发明是一项突破性技术，几乎可以完全解决这些鲜为人知的问题。”
　　在传统光学系统中，例如照相机、望远镜和传统的紫外线光刻技术，光圈和透镜等光学元件以轴对称（对称于中心轴）的方式排列在一条直线上。这种配置可确保最高的光学性能，同时将光学像差降至最低，从而实现高质量的图像。然而，这对 EUV 射线不起作用，因为它们的波长极短，会被大多数材料吸收，这意味着它们无法穿过透明透镜。
　　因此，EUV 光采用月牙形镜子引导，这些镜子将光线沿光路以之字形反射穿过开放空间（见下图）。然而，由于这种方法会导致光线偏离中心轴，因此会牺牲重要的光学特性并降低系统的整体性能。
　　为了解决这个问题，这种新的光刻技术通过将两个具有微小中心孔的轴对称镜子排列在一条直线上来实现其卓越的光学特性。
　　大幅降低功耗
　　由于 EUV 吸收率极高，每次镜子反射，能量都会减弱 40%。按照行业标准，只有约 1% 的 EUV 光源能量会通过所使用的 10 面镜子到达晶圆，这意味着需要非常高的 EUV 光输出。为了满足这一需求，EUV 光源的 CO 2激光驱动器需要大量电力，以及大量用于冷却的水。
　　相比之下，通过将 EUV 光源到晶圆的反射镜数量限制为总共只有 4 面，超过 10% 的能量可以穿透，这意味着即使是输出功率只有几十瓦的小型 EUV 光源也可以同样高效地工作。这可以显著降低功耗。
　　克服两项挑战
　　EUV 光刻技术的核心——投影仪——负责将光掩模图像转移到硅晶片上，它仅由两面反射镜组成，就像天文望远镜一样。
　　Shintake 教授解释道：“考虑到传统投影仪至少需要六面反射镜，这种配置简单得令人难以想象。这是通过仔细重新思考光学像差校正理论而实现的。这是量子物理学之前古典物理学的胜利。”
　　“该性能已通过光学仿真软件（OpTaliX）进行了验证，保证足以用于先进半导体的生产。”
　　新竹教授设计了一种名为“双线场”的新型照明光学方法，解决了这一问题。该方法使用 EUV 光从正面照射平面镜光掩模，而不会干扰光路。
　　新竹教授解释道：“如果你一手拿着两个手电筒，以相同的角度斜对着你面前的镜子，那么一个手电筒发出的光线就会一直照射到另一个手电筒上，这在光刻技术中是不可接受的。但是，如果你不改变手电筒的角度，将手向外移动，直到中间从两侧完全被照亮，光线就可以反射，而不会与另一个手电筒发出的光线相撞。”
　　由于两个光源对称放置，并以相同角度照射面罩，因此平均而言，面罩是从正面照射的。这也可以最大限度地减少面罩的 3D 效果。
　　“这就像哥伦布的蛋，”新竹教授解释道，“乍一看似乎不可能，但一旦解决，就变得非常简单。”
　　OIST已为该技术申请了专利，预计将通过示范实验投入实际使用。“全球EUV光刻市场预计将从2024年的89亿美元增长到2030年的174亿美元，年均增长率约为12%。这项专利有可能产生巨大的经济效益，”Shintake教授总结道。
　　OIST 执行副总裁兼 OIST 创新负责人 Gil Granot-Mayer 表示：“OIST 致力于创造影响人类的尖端科学。这项创新体现了 OIST 探索不可能和提供原创解决方案的精神。
　　“尽管我们在开发这项技术方面还有很长的路要走，但我们致力于这样做。我们希望这项来自冲绳的技术将对半导体行业产生变革性影响，并帮助解决能源消耗和脱碳等全球问题。”